譚松濤 羅賢智 郭紀梅 曾劍群

摘要：移動式起重機復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，是影響起重機作業(yè)效率并威脅起重機作業(yè)安全的主要因素之一。以移動式起重機為研究對象，運用光學(xué)傳感器收集起重機作業(yè)的環(huán)境信息，篩選出障礙物，并利用軌跡預(yù)測輔助操作員避開障礙物，必要時會緊急制動起重機避免危險。

關(guān)鍵詞：起重機；環(huán)境感知；軌跡預(yù)測；避障

0? ?引言

在未安裝主動環(huán)境感知的移動式起重機設(shè)備吊裝作業(yè)時，為保障吊裝作業(yè)的安全，往往需要一名乃至多名指揮員協(xié)助起重機操作者觀察周邊環(huán)境，并提供吊裝意見來保障吊裝過程的安全。在吊裝過程中由于涉及到人與人的協(xié)同，人與起重機的協(xié)同，因此越是在大型吊裝情況下的吊裝任務(wù)，吊裝工藝越復(fù)雜，吊裝的效率和安全越是依賴指揮員和操作員的默契、經(jīng)驗以及溝通的準確率。

1? ?主動環(huán)境感知的意義

在吊裝施工的過程中，難免會遇到復(fù)雜的施工環(huán)境，雜亂的施工現(xiàn)場，任何一個隨意放置的施工材料都可能會是吊裝施工過程中的障礙物。而在現(xiàn)場的施工當(dāng)中，這些障礙物會增加機手的施工操作強度，降低施工效率，有時還會增加危險性。因此在起重機的吊裝施工過程中，讓起重機主動對施工環(huán)境進行感知，利用起重機的工況信息預(yù)測起重機的各關(guān)節(jié)路徑，主動識別篩選出預(yù)測路徑上存在的障礙物，并提示機手進行避讓，可有效降低機手的施工操作強度，提高施工的效率，預(yù)防施工事故風(fēng)險。

2? ?主動環(huán)境感知的方法

在起重機的吊裝作業(yè)過程中，移動式起重機不同的工作部位所執(zhí)行的工作任務(wù)是不盡相同的，且不同工作部位自身的結(jié)構(gòu)形式也區(qū)別甚大，這些都使得不同工作部位對環(huán)境感知的需求是差之千里。本文以移動式起重機為研究對象，運用光學(xué)傳感器收集起重機作業(yè)的環(huán)境信息，篩選出障礙物，并利用軌跡預(yù)測輔助操作員避開障礙物，必要時會緊急制動起重機避免危險。

本文主要使用的傳感器主要為激光雷達和超聲波雷達，其分別用于遠距離測距和近距離測距。其中遠距離測距的子系統(tǒng)包含對吊鉤及載荷環(huán)境感知系統(tǒng)和對吊臂上方環(huán)境感知系統(tǒng)，近距離測距的子系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)臺四周近側(cè)環(huán)境感知系統(tǒng)。

2.1? ?吊鉤及載荷環(huán)境感知系統(tǒng)

吊鉤及載荷環(huán)境感知系統(tǒng)在安裝位置上位于臂端，其至少由一個四軸云臺和搭載在云臺上的激光雷達構(gòu)成。云臺的4個可單獨調(diào)節(jié)的軸分別位于云臺的上部和下部，上部包含第一俯仰軸和第一橫滾軸，二者為自調(diào)節(jié)軸，其根據(jù)吊臂的俯仰角度自行調(diào)節(jié)，以保證云臺的下部姿態(tài)能始終保持水平。四軸云臺工作如圖1所示。

下部包含第二俯仰軸和水平旋轉(zhuǎn)軸，二者為可控制軸，其會接受計算機的控制指令，計算機根據(jù)起重機回轉(zhuǎn)和變幅方向上過去2s內(nèi)的運動速度和加速度，來預(yù)測起重機的吊鉤及載荷在接下來2s的運動路徑，以此來輸出云臺下部的轉(zhuǎn)角來調(diào)制激光雷達的視場方向，從而保證激光雷達能將起重機吊鉤及載荷的“未來”2s里運動路徑上的障礙物全部“看見”。

起重機的各關(guān)節(jié)和各延展部分也會被構(gòu)建成包圍盒，同時也會算出其在回轉(zhuǎn)坐標系下的實時坐標，依靠過去2s內(nèi)各關(guān)節(jié)的加速度和速度，預(yù)測出未來起重機吊鉤及載荷的坐標位置，以此確定其運動路徑在空間坐標系中的坐標點集。

吊臂頂端的激光雷達實時掃描起重機吊鉤及載荷即將到達的位置。激光雷達實時回傳的點云數(shù)據(jù)，通過對點云數(shù)據(jù)的處理，可以篩除地面所代表的點云集。再將剩下的點云數(shù)據(jù)變成包圍盒，并通過臂端激光雷達與回轉(zhuǎn)中心的位置關(guān)系，換算出折些包圍盒在起重機坐標系下的坐標。若這些包圍盒坐標與起重機吊鉤及載荷的運動路徑坐標集有交集，以此作為起重機運動路徑上的障礙物判斷。吊鉤及載荷環(huán)境感知如圖2所示。

2.2? ?吊臂上方環(huán)境感知系統(tǒng)

吊臂上方環(huán)境感知系統(tǒng)的安裝位置位于吊臂末端，其至少由一個單軸云臺和搭載在其上面的激光雷達構(gòu)成。云臺工作示意圖如圖3所示。

云臺安裝在吊臂末端，因此云臺會隨吊臂的俯仰而跟隨俯仰。云臺的運動軸受車載計算機控制，計算機根據(jù)起重機吊臂過去2s內(nèi)的俯仰速度、俯仰加速度以及吊臂長度信息，來預(yù)測吊臂接下來2s吊臂臂身的運動路徑，根據(jù)這個路徑的大小，控制吊臂上方環(huán)境感知系統(tǒng)云臺的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角，來調(diào)制雷達的視場方向，以此保證激光雷達能將起重機吊臂臂身“未來”2s內(nèi)運動路徑上的障礙物全部“看見”。吊臂上方環(huán)境感知系統(tǒng)如圖4所示。

起重機的各關(guān)節(jié)和各延展部分構(gòu)建成包圍盒，會算出其在回轉(zhuǎn)坐標系下的實時坐標。這里是依靠過去2s內(nèi)變幅關(guān)節(jié)的加速度和速度，預(yù)測出未來起重機吊臂的坐標位置，以此確定其運動路徑在空間坐標系中的坐標點集。

吊臂末端的激光雷達實時掃描起重機吊臂即將達到的位置。激光雷達會實時回傳點云數(shù)據(jù)，通過對點云數(shù)據(jù)的處理，可以篩除“超起裝置”所代表的點云集。再將剩下的點云數(shù)據(jù)變成包圍盒，并通過臂末激光雷達與回轉(zhuǎn)中心的位置關(guān)系，換算出這些包圍盒在起重機坐標系下的坐標。若這些包圍盒坐標與起重機吊臂及“超起裝置”的運動路徑坐標集有交集，以此作為起重機運動路徑上的障礙物判斷。

2.3? ?回轉(zhuǎn)四周近側(cè)環(huán)境感知系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)四周近側(cè)環(huán)境感知系統(tǒng)在安裝位置上位于轉(zhuǎn)臺的四周，其至少由6個毫米波雷達傳感器和其對應(yīng)的信號處理主機構(gòu)成。回轉(zhuǎn)四周近側(cè)環(huán)境感知系統(tǒng)如圖5所示。

系統(tǒng)通過讀取起重機的工況信息，根據(jù)工況信息獲取存儲在計算機中的轉(zhuǎn)臺的尺寸信息。系統(tǒng)將起重機的去吊臂的轉(zhuǎn)臺部件簡單輪廓化為立方體，并以回轉(zhuǎn)中心為原點，吊臂伸出方向為Y軸正方向，豎直方向為Z軸建立空間直角坐標系，然后將起重機自身的尺寸信息確定其坐標系中的坐標。

通過毫米波雷達傳感器獲取障礙物的位置信息，并通過傳感器的安裝位置、方向，將雷達坐標轉(zhuǎn)換得到回轉(zhuǎn)坐標系下的坐標，以此來判斷物體是否存在于轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)路徑上。對于存在于轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)路徑中的物體，換算出其與轉(zhuǎn)臺發(fā)送碰撞的回轉(zhuǎn)角度裕值，根據(jù)裕值大小來評估碰撞風(fēng)險等級。

同時系統(tǒng)獲取起重機回轉(zhuǎn)的角速度和角加速度，并通過過去2s內(nèi)的數(shù)值來預(yù)測“未來”2s里起重機的回轉(zhuǎn)角度，來預(yù)測起重機轉(zhuǎn)臺是否會與回轉(zhuǎn)路徑中的障礙物發(fā)送碰撞。傳感器無法檢測到被障礙物遮擋部分的具體情況，故被障礙物遮擋的部分視為障礙物的一部分?；剞D(zhuǎn)四周近側(cè)環(huán)境感知系統(tǒng)如圖6所示。

3? ?主動環(huán)境感知的應(yīng)用

3.1? 在人機協(xié)同中幫助機手進行決策

新增的吊鉤及載荷環(huán)境感知系統(tǒng)、吊臂上方環(huán)境感知系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)四周近側(cè)環(huán)境感知系統(tǒng)的關(guān)系是并聯(lián)關(guān)系。而系統(tǒng)不管在什么模式下對機手的操作意見都是其三者共同作用產(chǎn)生的?？刂葡到y(tǒng)控制邏輯如圖7所示。

通過3種不同位置的主動環(huán)境感知系統(tǒng)所提供的傳感器數(shù)據(jù)，以及起重機自身傳感器所提供的各關(guān)節(jié)速度與加速度信息，系統(tǒng)能夠算出起重機各活動關(guān)節(jié)運動路徑的空間坐標集和環(huán)境中物體的坐標集，然后通過判斷是否存在交集，來判斷在未來的2s內(nèi)起重機的運行路徑上是否存在障礙物。

在實際的應(yīng)用場景中，當(dāng)系統(tǒng)感知到起重機運動路徑上的障礙物后，系統(tǒng)會通過顯示設(shè)備向機手展示，起重機運動路徑、路徑上障礙物及其發(fā)生碰撞的地點，與此同時系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警，來警示機手注意可能發(fā)生的碰撞。

在吊臂上方環(huán)境感知系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)四周近側(cè)環(huán)境感知系統(tǒng)工作中，當(dāng)?shù)醣叟鲎苍Ｖ祷蜣D(zhuǎn)臺碰撞裕值到最低值時，若機手還未根據(jù)系統(tǒng)提示進行正確的干預(yù)，系統(tǒng)會對相應(yīng)的運動關(guān)節(jié)進行制動，以確保起重機的運行安全。

3.2? ?在機器智能化作業(yè)中作為設(shè)備的“眼睛”

在智能化的無人吊裝作業(yè)過程中，主動環(huán)境感知設(shè)備就像是起重機的“眼睛”，實時將外部環(huán)境反饋給計算機，幫助計算機實現(xiàn)作業(yè)環(huán)境的場景模型建立，并幫助實現(xiàn)動態(tài)障礙物識別和起重機動態(tài)規(guī)避障礙物?；诮⒑玫淖鳂I(yè)環(huán)境場景模型，計算機的作業(yè)規(guī)劃模塊可以根據(jù)作業(yè)目標完成起重機運動路徑的規(guī)劃工作。基于規(guī)劃好的路徑，運動控制模塊控制起重機安全平穩(wěn)運行到指定位置，實現(xiàn)作業(yè)流程自動化。

4? ?結(jié)束語

移動式起重機的主動環(huán)境感知系統(tǒng)在現(xiàn)代施工作業(yè)中對比舊時代方法有著明顯優(yōu)勢，能夠幫助施工者和機手安全的完成吊裝任務(wù)，將機身和環(huán)境可視化后的可以幫助機手更高效的完成精準吊裝。同時其為起重機自動化作業(yè)提供場景信息和動態(tài)障礙物信息也是起重機的自動化不可或缺的內(nèi)容。在未來，起重機的環(huán)境感知功能會越來越完善，其功效也會愈發(fā)明顯。

參考文獻

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